第4章不間斷電源

1、v第第4 4章章 不間斷電源不間斷電源( (UPS) )4.1 UPS的功能及原理4.1.1概述 電網(wǎng)的供電質量問題 UPS的定義和主要功能4.1.2 UPS的類型及其工作原理UPS的分類四種典型UPS的工作原理典型UPS的性能UPS技術的發(fā)展及其方向 第第4 4章章 不間斷電源不間斷電源( (UPS) )4.2 .2 UPSUPS的組成和設計的組成和設計4.2.14.2.1蓄電池組蓄電池組蓄電池的種類、工作原理和性能指標蓄電池的充電和維護UPS蓄電池容量的選擇4.2.24.2.2整流器和整流器和PFCPFC電路電路整流器和充電器功率因數(shù)校正（PFC）4.2.34.2.3逆變器逆變器逆變器的作

2、用和類型逆變器主電路結構選擇和實例 第第4 4章章 不間斷電源不間斷電源( (UPS) )4.2.4 4.2.4 逆變、市電的切換逆變、市電的切換4.2.5 4.2.5 濾波電路濾波電路4.2.6 4.2.6 旁路控制電源和系統(tǒng)輔助電源旁路控制電源和系統(tǒng)輔助電源4.2.7 4.2.7 接地、保護、報警接地、保護、報警4.3 4.3 UPSUPS輸出電壓控制輸出電壓控制UPS輸出波形控制UPS同步鎖相技術UPS交流電壓幅值的快速檢測* *4.4 4.4 UPSUPS的模塊化及串并聯(lián)冗余技術的模塊化及串并聯(lián)冗余技術4.1.1概述電網(wǎng)電壓常見干擾類型電網(wǎng)供電質量4.1.1概述UPS的定義(Unint

3、erruptible Power Supply) UPS (Uninterruptible Power Supply)是一種含有儲能的裝儲能的裝置置（通常蓄電池儲能），以逆變器逆變器為主要組成部分的恒壓、恒壓、恒頻恒頻電源設備，主要用于給單臺計算機、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)或其他電力電子設備提供不間斷、高質量不間斷、高質量的電力供應，以及作為機場、電站、醫(yī)院等重要部門的備用電源。 UPS的最基本要求：高質量、高可靠性 UPS的主要功能： 1、后備功能 2、隔離功能 3、電壓變換功能 4、頻率變換功能圖4.1 典型UPS結構圖4.1.2 UPS的類型及其工作原理UPSUPS的分類：的分類：按有無機械運動分

4、 動態(tài)型市電電動機飛輪儲能交流發(fā)電機柴油發(fā)電機 靜態(tài)型逆變器變壓器蓄電池靜態(tài)型UPS的分類 按輸出功率分：小、中、大 按輸出波形分：方波、梯形波、正弦波 按輸出相數(shù)分：單相、三相 按逆變頻率分：高頻機、工頻機 按電路結構分： 后備式(Off-Line) 在線式(On-Line)（雙變換式、互動式、雙變換電壓補償式）4.1.2 UPS的類型及其工作原理1、后備式（后備式（Off-Line)UPS特點：特點：市電正常由市電直接供電優(yōu)點：優(yōu)點：結構簡單、效率高、輸出能力強、可靠性高、成本低缺點：缺點：波形質量差、轉換時間長、 輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波取決于負載性質圖4.2 后備式UPS系統(tǒng)結構圖4

5、.1.2 UPS的類型及其工作原理2、雙變換在線式雙變換在線式UPS特點：特點：AC/DC/AC兩次變換、逆變器供電為主優(yōu)點：優(yōu)點：供電質量好、零轉換時間缺點：缺點：效率低、成本高、對負載有限制（如過載能力、功率因數(shù)）圖4.3 雙變換在線式UPS系統(tǒng)框圖UPS高頻機3、在線互動式在線互動式UPS特點：特點：雙向變換器、熱備份、并聯(lián)功率調整優(yōu)點：優(yōu)點：市電利用率高、輸出能力強、比后備式UPS切換時間短、 增加了抗干擾能力、結構簡單、成本低、可靠性高缺點：缺點：電壓穩(wěn)定度差、電能質量較差、輸入功率因數(shù)和輸入電流 諧波取決于負載性質4.1.2 UPS的類型及其工作原理1CN輸 出輸 入1234556

6、87T1L0L1T2T3T4T1D2D3D4D變 壓 器 繼電 器 陣雙 向 變換 器蓄 電 池市 電 輸 入輸 出4.1.2 UPS的類型及其工作原理4、雙變換電壓補償在線式雙變換電壓補償在線式UPS（Delta變換式變換式UPS）(a)主電路圖市電輸入Delta變壓器轉換開關Delta變換器蓄電池主變換器旁路輸出(b)系統(tǒng)框圖特點：特點： 串并聯(lián)功率傳輸、 雙向變換優(yōu)點：優(yōu)點： 市電利用率高、功率因數(shù)校正、諧波電流抑制、零轉換時間、效率高、輸出能力強缺點：缺點： 主電路和控制電路復雜4.1.3 典型UPS的比較典型典型UPS對電網(wǎng)的適應能力對電網(wǎng)的適應能力4.1.3 典型UPS的比較典型典

7、型UPS的性能的性能UPS類型類型容量范圍容量范圍（kVA）輸出電壓質量輸出電壓質量輸入功率因數(shù)輸入功率因數(shù)切換切換時間時間效率和效率和過載能過載能力力后備式后備式2穩(wěn)壓精度：穩(wěn)壓精度：47有波形畸變和干擾有波形畸變和干擾低低長長高高雙 變 換雙 變 換在線式在線式0.71500穩(wěn)壓精度：穩(wěn)壓精度：1波形畸變率小波形畸變率小完全不受電網(wǎng)干擾完全不受電網(wǎng)干擾根據(jù)有無根據(jù)有無功率因數(shù)校正功率因數(shù)校正措施而定措施而定無無低低在 線 互在 線 互動式動式0.720穩(wěn)壓精度：穩(wěn)壓精度：20有波形畸變和干擾有波形畸變和干擾由負載決定由負載決定短短高高Delta變變換式換式10480穩(wěn)壓精度：穩(wěn)壓精度：1波

8、形畸變率小波形畸變率小受電網(wǎng)干擾小受電網(wǎng)干擾小高高無無較高較高4.1.4 UPS的發(fā)展方向UPS的技術發(fā)展的技術發(fā)展 靜 態(tài)動 態(tài) 晶閘管I G B T 模 擬數(shù) 字 計算機多領域UPS的發(fā)展方向的發(fā)展方向 1、控制系統(tǒng)的全數(shù)字化 2、主電路拓撲高頻化和軟開關技術 3、智能化、網(wǎng)絡化 4、綠色化 5、模塊化和冗余化 6、功能、結構、品種多樣化UPS的技術發(fā)展的技術發(fā)展 靜 態(tài)動 態(tài) 晶閘管I G B T 模 擬數(shù) 字 計算機多領域UPS的發(fā)展方向的發(fā)展方向 1、控制系統(tǒng)的全數(shù)字化 2、主電路拓撲高頻化和軟開關技術 3、智能化、網(wǎng)絡化 4、綠色化 5、模塊化和冗余化 6、功能、結構、品種多樣化返

9、回返回圖4.4 UPS高頻機系統(tǒng)結構圖圖4.7 高頻隔離UPS系統(tǒng)結構框圖市電輸入工頻整流濾波蓄電池組高頻逆變高頻隔離變壓器高頻整流工頻濾波工頻逆變逆變器輸出(b) 高頻鏈逆變形式UPS(a) DC/DC高頻隔離形式UPS返回返回4.2 4.2 UPSUPS的組成和設計的組成和設計圖4.8不間斷電源裝置組成框圖靜止開關2交流濾波器逆變器整流器直流濾波器蓄電池組整流器觸發(fā)控制電路輔助電路輔助電路逆變器觸發(fā)控制電路靜止開關控制電路+交流輸出靜止開關1旁路電源油機4.2.1 4.2.1 蓄電池組蓄電池組1、蓄電池的種類及其要求蓄電池的種類及其要求UPS對蓄電池的要求：對蓄電池的要求： 在短時間內滿足

10、輸出電流的要求 保證供電維持時間鉛酸蓄電池的種類：鉛酸蓄電池的種類： 涂漿式高效鉛電池：HS型經(jīng)濟（廣泛使用） AHH型低溫 覆蓋式鉛電池：CS型長放電時間 小型密封鉛電池：M型密封式 免維護，廣泛使用鉛酸蓄電池的工作原理：鉛酸蓄電池的工作原理： 充電時將電能轉換成化學能，放電時將化學能轉換成電能。 4.2.1 4.2.1 蓄電池組蓄電池組2、蓄電池的基本性能指標蓄電池的基本性能指標 蓄電池是用多個單體串聯(lián)而成。每個單體的標稱電壓為2.0V：1）放電中止電壓）放電中止電壓 蓄電池不允許再放電時的電壓。通常1.75V/單體。2）容量容量 在充滿電的情況下，采用一定的電流A（0.05C）進行恒流放

11、電，放電至中止電壓的時間H，所能釋放的能量AH即蓄電池的容量。12V/6AH/20HR0.3A*20h/10.5V蓄電池單體等效電路蓄電池等效電路4.2.1 4.2.1 蓄電池組蓄電池組3）放電率：）放電率： 放電至中止電壓的電流大小或時間快慢。 表示：用電流來表示，用時間來表示 6AH0.3A20h4）放電電流：）放電電流： 通常用蓄電池的容量（C）乘以某個系數(shù)來表示。 C=6AH0.1C0.6A 0.25C=1.5A5）自放電率：自放電率： 蓄電池不用時的自放電。 C/天 蓄電池長期不用時應定期給蓄電池充電。4.2.1 4.2.1 蓄電池組蓄電池組3、蓄電池的充電和維護：、蓄電池的充電和維

12、護： 初始充電：時間長，充電電流要小 正常充電：分階段不同電流充電方式，各個階段充電電流逐漸減小，后期采用涓流充電。 浮充：恒壓充電 （浮充電壓與環(huán)境溫度有關） 均充：對每個單元進行均衡充電，消除各單元的不均衡狀態(tài)。 4.2.1 4.2.1 蓄電池組蓄電池組4、蓄電池的容量的選擇：、蓄電池的容量的選擇： 蓄電池容量可供使用的容量 影響可供使用的容量的因素： 放電電流的大小 蓄電池溫度（環(huán)境、放電電流大小、波形） 蓄電池的實際儲能 負載的類型和特性1）最大放電電流）最大放電電流 MINmaxEcosPI 4.2.1 4.2.1 蓄電池組蓄電池組2）蓄電池的放電特性：）蓄電池的放電特性： 蓄蓄電電

13、池池放放電電速速率率maxIC 4.2.1 4.2.1 蓄電池組蓄電池組例例1： 一臺300KVA的UPS，功率因數(shù)0.8，效率0.9，要求蓄電池的后備工作時間24分鐘，該電池組的臨界放電電壓為320V，求所需蓄電池組的標稱容量。 查蓄電池的放電曲線，得24分鐘的放電速率為0.9C 實際放出的能量：333.3AH AEPIMIN3 .8333209 . 08 . 010300cos3maxAHIC3 .8330 . 13 .833max蓄電池放電速率%403 .8333 .3334.2.1 4.2.1 蓄電池組蓄電池組例例2： 一臺120KVA的UPS，功率因數(shù)0.8，效率0.9，要求蓄電池的

14、后備工作時間60分鐘，該電池組的臨界放電電壓為320V，求所需蓄電池組的標稱容量。 查蓄電池的放電曲線，得60分鐘的放電速率為0.5C 實際放出的能量：333.3AH AEPIMIN3 .3333209 . 08 . 010120cos3maxAHIC7 .57458. 03 .333max蓄電池放電速率%587 .5743 .3334.2.2整流器和整流器和PFC電路電路1、整流器的作用、整流器的作用 功能：為逆變器供電；為蓄電池供電 通常要求：電壓要求：輸出電壓大小能調節(jié) 輸出電壓穩(wěn)定，1% 紋波要小，逆變器市電逆變器逆變器市電逆變器市電K1閉合K1閉合K2斷開K2斷開靜態(tài)開關關斷靜態(tài)開關

15、關斷4.2.5 濾波電路濾波電路4.2.5 濾波電路濾波電路 差模信號和共模信號 差模濾波和共模濾波濾波器的設置：濾波器的設置： 交流輸入濾波 整流直流電壓濾波 交流輸出濾波器LC交流輸出濾波器的參數(shù)設計：交流輸出濾波器的參數(shù)設計： LC大：大： 優(yōu)點：系統(tǒng)輸出波形越好 缺點：體積大、重量大、成本高、相位滯后嚴重、穩(wěn)定性差 LC?。盒。?優(yōu)點：體積小、重量輕、成本低 缺點：諧波含量高4.2.5 濾波電路濾波電路 LC的要求：的要求：能有效濾掉高次諧波，對基波沒有影響 L過大：過大： 優(yōu)點：電流紋波小、穩(wěn)定性提高、動態(tài)相應慢 缺點：體積大、重量重、電壓損失大snf.LC 2101 LffRCL)

16、8 . 05 . 0(4.2.6旁路控制電源和系統(tǒng)輔助電源旁路控制電源和系統(tǒng)輔助電源4.2.7接地裝置、保護和報警系統(tǒng)接地裝置、保護和報警系統(tǒng)4.2.6旁路控制電源和系統(tǒng)輔助電源旁路控制電源和系統(tǒng)輔助電源4.2.7接地裝置、保護和報警系統(tǒng)接地裝置、保護和報警系統(tǒng) 1、接地裝置、接地裝置 接地的目的：固定設備的電位，保障設備和人身安全 1）機殼接地）機殼接地 目的：保護設備和人身安全 2）邏輯接地）邏輯接地 目的：減輕或消除電源本身或外部電磁干擾對控制電路的影響，避免因邏輯地和機殼以及其他元器件因電位差及其變化而導致設備故障。 3）防雷接地）防雷接地 目的：避免雷擊而損壞設備4.2.7接地裝置、

17、保護和報警系統(tǒng)接地裝置、保護和報警系統(tǒng)2、保護和報警系統(tǒng)保護和報警系統(tǒng)1）過載保護）過載保護 過載不能太大、過載時間不能太長2）過壓保護）過壓保護 輸入輸出交流過電壓、整流直流過電壓、器件的過電壓3）欠壓保護）欠壓保護 電壓過低輸出電壓過低、電流過大、各輔助電源不正常4）短路保護）短路保護 短路電流大器件和電纜發(fā)熱嚴重器件損壞、絕緣破壞5）過熱保護過熱保護 風道不通、風機故障、環(huán)境溫度過高元器件損壞、絕緣破壞4.2.7接地裝置、保護和報警系統(tǒng)接地裝置、保護和報警系統(tǒng)6）蓄電池保護）蓄電池保護 4.2.7接地裝置、保護和報警系統(tǒng)接地裝置、保護和報警系統(tǒng)6）蓄電池保護）蓄電池保護 保護方法：保護方

18、法：液面檢測、溫度檢測電解液電解液減少減少溫度溫度升高升高充電充電損壞損壞環(huán)境溫度環(huán)境溫度升高升高充電電充電電壓過高壓過高充電電充電電流過大流過大充放電電流充放電電流諧波過大諧波過大4.2.7接地裝置、保護和報警系統(tǒng)接地裝置、保護和報警系統(tǒng)7）三相輸入型）三相輸入型UPS輸入電壓異常保護輸入電壓異常保護 缺相：缺相：整流后電壓低、逆變輸出電壓低，控制電路不正常、 系統(tǒng)發(fā)熱嚴重 相序錯：相序錯：無法實現(xiàn)逆變器和市電的同步無法切換4.3 UPS輸出電壓控制輸出電壓控制4.3.1 UPS輸出電壓波形控制輸出電壓波形控制4.3.2 UPS同步鎖相技術同步鎖相技術同步的意義：同步的意義： 保證逆變器與市電的頻率、相位一致，有效防止因頻率、相位的不一致而導致的環(huán)流以及對負載產(chǎn)生過大沖擊。市電存在時的同步要求：市電存在時的同步要求： 頻率：逆變器頻率隨市電頻率變化而變化，保證同頻 相位：逆變器相位與市電同相市電故障時：市電故障時： 同步由逆變器自身給定，恒頻。 4.3.2 UPS同步鎖相技術同步鎖相技術1、鎖相環(huán)的工作原理、鎖相環(huán)的工作原理鎖相環(huán)的工作過程：鎖相環(huán)的工作過程： 同步過程、跟蹤過程、捕捉過程和暫態(tài)過程。PDLFVCOPLL tui tuf tud tuc tu0 tftued tuKtcv004.3.2 UPS同步鎖相技術